Leistungselektronik. ein Schlüssel zur Elektromobilität der Zukunft. Referat von Dr. Rainer Kallenbach,

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1 Juni 2011 RF Leistungselektronik ein Schlüssel zur Elektromobilität der Zukunft Referat von Dr. Rainer Kallenbach, Bereichsvorstand Verkauf Automotive Electronics anlässlich des 60. Motorpressekolloquiums in Boxberg im Juni 2011 Es gilt das gesprochene Wort. Robert Bosch GmbH Postfach Stuttgart Corporate Communications Telefon: Telefax: Leitung: Uta-Micaela Dürig Presse-Forum:

2 Sehr geehrte Damen und Herren, die Elektromobilität braucht bei der Automobilelektronik ganz neue Lösungen neben den hochkomplexen Steuerungsfunktionen werden nun auch Schaltfunktionen für hohe Betriebsspannungen und große Ströme gebraucht. Bereits seit rund 30 Jahren sorgt Automobilelektronik für stetigen Fortschritt bei Sicherheit, Sauberkeit, Energieeffizienz und Komfort moderner Fahrzeuge. Von Anfang hat Bosch einen wesentlichen Anteil an diesen Fortschritten. Und die Elektronik gewinnt immer größeren Anteil an der Wertschöpfung des Automobils. Sie verleiht den Fahrzeugen mehr Intelligenz und wird von Schritt zu Schritt leistungsfähiger und trotzdem kleiner. Der Schlüssel sind hochintegrierte Halbleiterchips und Sensoren. Bosch fertigt deshalb seit vielen Jahren Halbleiter und Sensoren für Automobilelektronik selbst. Die technischen Fortschritte sind Voraussetzung, um trotz zunehmender Leistungsfähigkeit Automobilelektronik zu immer günstigeren Kosten herstellen zu können für jedermann erschwinglich. Neue Herausforderung in der Automobilelektronik Die Elektrifizierung des Automobils stellt neue Anforderungen an die Automobilelektronik. Bisher konzentrierten sich die Entwickler darauf, die Steuer- und Regelsysteme im Automobil mit immer mehr Intelligenz auszustatten. Nun haben sie die Aufgabe, hohe elektrische Leistungen bis zu hunderten von Kilowatt zwischen Energiequellen und Verbrauchern elektronisch zu steuern. Solche Leistungen haben nicht nur elektrische Maschinen im Antriebsstrang von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen. 2 von 6

3 Auch Nebenaggregate wie die Fahrzeuglenkung oder die Kühlwasserpumpe werden elektrifiziert und per Elektronik gesteuert. Leistungselektronik ist bei elektrischen Industrieantrieben, in elektrischen Bahnen oder in Wechselrichtern für Solarstromund Windkraftanlagen grundsätzlich bekannt. Solche Leistungselektroniken stammen aus der Industrietechnik und sind eher in großen Schaltschränken untergebracht. Diese Technik eignet sich jedoch nicht für Automobile. Hier sind zwar die notwendigen Spannungen, Ströme und Leistungen deutlich niedriger. Dafür stellt aber die automobile Umgebung besondere Anforderungen an Bauraum und Gewicht, an Robustheit gegen extreme mechanische und klimatische Einflüsse und nicht zuletzt an Großserientauglichkeit bei günstigen Kosten. Damit ist Bosch als führender Zulieferer für Kraftfahrzeugtechnik besonders vertraut. Und deshalb arbeiten bereits seit 2005 die Bosch-Ingenieure intensiv an neuen technologischen Lösungen für automobile Leistungselektronik. Beispiel: Energiemanagement bei Hybridfahrzeugen Ein wesentlicher Teil der Leistungselektronik eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs konzentriert sich auf den sogenannten Inverter. Dieser übernimmt das Energiemanagement des Antriebsstrangs. Beim Hybrid regelt der Inverter zum einen die Energie für den elektrischen Fahrbetrieb, wandelt den Gleichstrom der Hochleistungs-Traktionsbatterie in Drehstrom und versorgt damit die als Motor arbeitende elektrische Maschine. Zum anderen steuert der Inverter die wichtige Funktion der Energie-Rückgewinnung und sorgt so für das Spritsparen. Beim Bremsen wird die elektrische Maschine zum Generator, der Strom erzeugt und dabei das Automobil bremst aus der Bremsenergie 3 von 6

4 wird elektrische Energie. Der Inverter steuert den Ladestrom für die Batterie. Die dabei gespeicherte Energie dient später wieder zum Fahrzeugantrieb. Eine zentrale Rolle des Energiemanagements kommt damit der Leistungselektronik zu. Bosch-Ingenieure arbeiten intensiv daran, diese Schritt für Schritt zu optimieren: kleinerer Bauraum, weniger Gewicht, höhere Leistungen und bessere Wirkungsgrade, günstigere Kosten. Und sie machen dabei sichtbare Fortschritte. Der Inverter der ersten Generation der seit 2010 im Porsche Cayenne Hybrid und im Volkswagen Touareg Hybrid im Serieneinsatz ist braucht einen Bauraum von rund zehn Litern. In der aktuellen zweiten Generation, die ab 2012 in Serie gefertigt werden wird, hat die Elektronik bei vergleichbarer Leistung nur noch rund acht Liter Bauraum. Und wir entwickeln bereits die nächste Generation für 2013, die bei gleichem Bauraum ein Drittel mehr Leistung verkraftet. Miniaturisierung Schlüssel zur Elektromobilität Die konsequente Miniaturisierung der Leistungselektronik zielt auch darauf, die spritsparende Hybridtechnik über günstigere Kosten für immer mehr Autofahrer erschwinglich zu machen. Bosch wiederholt dabei die Erfolgsgeschichte der Automobilelektronik in den vergangenen Jahrzehnten leistungsfähiger, kleiner, kostengünstiger. Dabei spielt die konzertierte Entwicklung von System, Steuergerät und Halbleiterkomponenten in übergreifenden Bosch-Teams eine wichtige Rolle. So gelingt es beispielsweise, den Inverter besonders kompakt aufzubauen und seine elektrischen und thermischen Eigenschaften durch geeignete Konstruktion optimal auszulegen. 4 von 6

5 Zur Steuerung und Regelung der elektrischen Energie im Inverter dienen dabei integrierte Leistungsmodule in einer besonderen Mold-Technologie. Diese Verpackung verwendet neue Aufbau- und Verbindungstechniken, um mehrere Halbleiterkomponenten wie Leistungstransistoren und auch Ansteuerschaltungen in einer sehr kompakten und robusten, gleichzeitig sehr effizient kühl- und montierbaren Baueinheit zusammenzufassen. Gegenüber bisherigen Lösungen erreichen die Entwickler damit deutliche Vorteile bei Stromdichte, Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit. Inverter und Leistungsmodule entwickelt und fertigt Bosch überwiegend selbst darüber hinaus aber auch die integrierten Leistungshalbleiter-Komponenten. Erst durch die enge Verzahnung von Inverter-, Modul- und Halbleiterentwicklung werden die anspruchsvollen Vorgaben erreicht. Auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter vereinbarte Bosch 2009 eine Zusammenarbeit mit dem Marktführer Infineon und lizenzierte einen grundlegenden Herstellungsprozess dafür. Basierend darauf kann Bosch modernste Leistungshalbleiter für seine spezifischen Anwendungen selbst entwickeln und in der eigenen Halbleiterfabrik herstellen. Das Bosch-Halbleiterwerk wurde gerade mit einem Investitionsaufwand von 600 Millionen Euro um eine neue Halbleiterfabrik erweitert. Meine sehr geehrten Damen und Herren, Elektrofahrzeuge leisten künftig einen wichtigen Beitrag zur energieeffizienten individuellen Mobilität. Dafür wendet Bosch einen guten Teil seiner Aufwendungen in Forschung und Ent- 5 von 6

6 wicklung auf auch für neue Lösungen in der Leistungselektronik. Diese bleibt jedoch nicht allein auf das Automobil beschränkt, sondern findet zunehmend auch Anwendung in der effizienten Energieversorgung unseres Alltags ganz im Sinne unseres Leitmotivs Technik fürs Leben. 6 von 6